オンライン電力ケーブル状態監視: テクノロジー、利点、将来のトレンド

世界の電力網は、数十年間で最も大きな拡張期を迎えています。都市部の負荷増加、輸送の電化、そして再生可能エネルギー発電（風力発電所、太陽光発電所、バッテリー貯蔵）の加速的な構築は、地下ケーブル回路に対する前例のない需要を牽引しています。かつて架空線が都市部を横断して大電力を運んでいた場所では、押出XLPEケーブルや紙絶縁鉛被（PILC）ケーブルが、通り、トンネル、河川横断部の地下を走り、多くの場合、当初設計された負荷の50〜100％増しの負荷を運んでいます。

この拡張には、増大するメンテナンスの課題が伴います。ケーブルの故障は、配電ネットワークにおいて最も混乱を引き起こすイベントの1つです。掘削、故障位置特定、接続、修理が必要となり、イベントごとに数万ドル、さらに顧客の停電罰金がかかることもあります。歴史的に、ケーブルメンテナンスは周期的なオフラインテストに依存してきました。1年から5年に一度実施されるVLF耐電圧試験、絶縁抵抗測定、部分放電測定です。これらは効果的ですが、スナップショットに過ぎません。検査の間、ケーブルは監視されず、クリーンなテストの直後に発生した欠陥は、次の予定された訪問前に故障に進展する可能性があります。

このギャップを埋めるために、電力会社、産業オペレーター、再生可能エネルギープロジェクト開発者は、オンライン電力ケーブル状態監視をますます採用しています。テストのためにケーブルをサービスから切り離すのではなく、恒久的に設置されたセンサーが、通電中にケーブルの電気的および熱的状態を継続的に測定します。この記事では、オンライン監視とは何か、利用可能な技術、必要なシステムアーキテクチャ、そしてスマートグリッドインフラストラクチャが成熟するにつれてこの分野がどこに向かっているのかを検証します。

オンライン電力ケーブル状態監視とは、サービスを中断することなく、恒久的に設置されたセンサーを使用して、ケーブルの健康状態パラメータを継続的かつリアルタイムに測定することです。監視システムは、ケーブルアクセサリー（接続部、終端部）およびケーブルルートに沿ってデータを収集し、中央ユニットまたはクラウドプラットフォームに送信し、診断アルゴリズムを適用して絶縁状態、熱負荷、およびアクセサリーの完全性を評価します。

時点測定を提供するオフラインテストとは異なり、オンライン監視は継続的なデータストリームを提供します。主な特徴は次のとおりです。

目的はオフラインテストを完全に置き換えることではなく、補完することです。オンライン監視は継続的な状況認識を提供し、周期的なオフラインテストは定量的な状態評価および故障位置特定のための確立された方法として残ります。

地下ケーブルの故障はめったに突然発生しません。ほとんどは、数ヶ月または数年かけて予測可能な劣化経路をたどります。主な故障メカニズムは次のとおりです。

これらの各メカニズムは、測定可能な痕跡を残します。絶縁の経年劣化は誘電損失を変化させます。PDは高周波パルスを生成します。ウォータートリーイングはTan Delta特性を変化させます。過熱はルートに沿って温度シグネチャを生成します。オンライン監視は、ケーブルがオフラインになるずっと前に、これらの痕跡が発生したときに捉えます。それらを早期に検出することで、計画外の停止を計画されたメンテナンスイベントに変えることができます。

部分放電監視は、最も感度が高く、広く採用されているオンライン技術です。ケーブル接続部および終端部の接地ストラップの周りにクランプされた高周波電流トランス（HFCT）は、内部放電によって生成されるパルス電流を検出します。高電圧アクセサリーにカップリングコンデンサまたはVHF/UHFセンサーを埋め込むこともできます。信号は、位相分解部分放電（PRPD）ドメインで分析されます。AC電圧サイクルに対するパルスのパターンは、放電が内部空隙、表面トラッキング、コロナ、または浮遊電位に由来するかどうかを明らかにします。高度なシステムは、自動クラスタリングを使用してPDをノイズから分離します。

分散型温度センシング（DTS）は、電力ケーブルの隣（または内側）に設置された光ファイバーケーブルを使用します。ファイバーを伝わるレーザーパルスはラマン後方散乱を生成します。波長シフトは局所温度を示し、遅延時間は数十キロメートルのルートに沿って1メートル以内に位置を特定します。DTSは、閉塞したダクト、不良な接続部、または持続的な過負荷によって引き起こされるホットスポットを検出します。また、動的な定格をサポートします。実際の導体温度を仮定するのではなく測定することで、オペレーターは有利な条件下で負荷を増やし、熱波中に負荷を減らすことができます。

シース監視は、クロスバンディングおよび接地ポイントの電流トランスを使用して、循環電流とシースの連続性を測定します。シース電流比の突然の変化、またはDC成分の出現は、シースの損傷、リード線の断線、または接地劣化を示します。シース故障は主絶縁故障の前兆であるため、これらのパラメータの継続的な監視は、発生中の欠陥の早期警告を提供します。

基本的な電気パラメータ（負荷電流、導体温度（熱モデル経由）、電圧、力率）は、通常、既存のSCADAまたはRTUシステムから利用可能です。PDおよび温度データと相関させることで、測定された異常が実際の絶縁欠陥なのか、スイッチングまたはモーター始動による無害な過渡現象なのかを解釈するのに役立ちます。

継続的なセンサーによって生成されるデータの量は、手動検査で処理できる量をはるかに超えています。履歴故障記録、コミッショニングベースライン、および既知の欠陥パターンでトレーニングされた機械学習アルゴリズムは、PDソースの分類、Tan Deltaまたは絶縁抵抗の微妙なトレンドの検出、残存耐用年数の予測、リスクによるメンテナンス作業指示の優先順位付けなどの自動タスクを実行します。これらのモデルは、データセキュリティおよびネットワーク接続要件に応じて、エッジ（フィールドデータ取得ユニット内）またはクラウドで実行されます。

典型的なオンラインケーブル状態監視システムは、5つのレイヤーで構成されています。

システムアーキテクチャは、標準的なセンシングから意思決定までのチェーンに従います。つまり、感知、取得、送信、分析、行動です。

両アプローチは補完的です。オフラインテストは定量的な故障位置特定と証明テストを提供し、オンライン監視は継続的な状況認識を提供します。成熟したプログラムは両方を使用します。

シナリオ1：地下配電ケーブル監視。 10〜35 kVの地下フィーダー3,000 kmを持つ地方自治体が、高密度エリアの重要な接続部にHFCTセンサーを設置します。PD活動がベースラインを超えるとシステムがアラームを発し、計画メンテナンスウィンドウ中に担当者が特定の接続部を調査するように指示します。これにより、都市中心部での計画外の停止が削減されます。

シナリオ2：高電圧送電ケーブル監視。 送電事業者が15 kmの110 kV河川横断ケーブルに沿ってDTSを使用します。光ファイバーの温度プロファイルは、ケーブルがパイプ横断部に近接してたるんでいる7.2 km地点でホットスポットを明らかにします。メンテナンス担当者は、熱的経年劣化による恒久的な損傷が発生する前に障害物を除去します。

シナリオ3：再生可能エネルギーケーブル監視。 洋上風力発電所のオペレーターは、DTSとオンラインPDの組み合わせで連系線ケーブルを監視します。システムは、温度スパイクとPDパルスを相関させて、嵐の後で浸水しているケーブルを特定します。これにより、故障後ではなく次の穏やかな季節に交換を指示します。

オンライン電力ケーブル状態監視は、カレンダーベースのテストからデータ駆動型の資産管理への移行を表します。ケーブルを通電状態のまま、部分放電、温度、シース状態、および電気パラメータを継続的に測定することにより、オペレーターは絶縁劣化、接続部欠陥、および熱過負荷の早期警告を得て、故障が障害になる前に介入します。周期的なオフラインテストとAIベースのトレンド分析と組み合わせることで、オンライン監視はグリッドの信頼性を向上させ、メンテナンス中の人員の安全性を高め、真に必要としているケーブルに交換を指示することで資本支出を最適化します。

グリッドの老朽化と再生可能エネルギーの浸透が進むにつれて、継続的な監視の経済的根拠は強化されます。XZH TESTは、コミッショニング、周期的なテスト、および継続的な状態評価全体でケーブル資産管理をサポートするために設計された、VLF AC高電圧試験器、部分放電検出システム、TDRケーブル故障探傷器、およびオンライン監視機器を含む、専門的なケーブルテストおよび診断ソリューションを提供します。

XZH TEST（西安徐志輝機電科技有限公司）は、電力会社、産業プラント、再生可能エネルギープロジェクト向けの電気ケーブルテストおよび診断機器を製造しています。製品範囲には、ケーブル故障探傷器、TDR予備探傷器、VLF AC高電圧試験器、部分放電検出システム、およびオンラインケーブル監視ソリューションが含まれます。機器は、フィールドでの耐久性、測定精度、および国際的なテスト規格への準拠のために設計されています。

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